基于单片机的滚筒式洗衣机控制系统,带图纸

1、专业方向课程设计说明书题目名称： 滚筒式洗衣机控制系统电路设计 学 院： 机械工程学院 专业年级： 机械设计制造及其自动化12级 姓 名： 樊旭然 班级学号： 机电12-1-04 指导教师： 黄吉东 二一五 年 十 二 月 十 五 日专业方向课程设计摘要滚筒洗衣机正朝着两个方向同时发展：一是洗涤技术不断的推陈出新如蒸汽洗、超声波洗、健康杀菌，银离子等，另一个方向是控制技术。通过对整机厂规格书的分析，确定了控制系统总体方案；通过对滚筒洗衣机洗涤原理的研究，设定优化了洗衣节拍；引入了一些实用功能。如：掉电记忆功能，在停电后，电力恢复正常，洗衣机将继续没有完成的洗涤。自动关机功能，在开机无操作或洗涤

2、结束后分钟将自动关机。童锁功能，在洗涤过程中防止随意按下按键而发生危险等。研究了单片机NEC78F0513的工作原理，以其为核心设计了电路板，包括单片机系统、人机接口电路、开关电源电路、阀的控制电路、水位检测电路和复位电路等。专业方向课程设计目 录第一章、绪论11.1.洗衣机的发展11.2.滚筒洗衣机发展现状和趋势21.3.洗衣机驱动技术综述21.3.1.滚筒式洗衣机用驱动电机的选择31.3.2.滚筒洗衣机的驱动方式41.4.变频调速技术研究现状及趋势51.5.洗衣机控制技术现状及趋势6第二章、智能控制系统总体设计82.1.控制系统用户界面分析82.2.控制系统总体方案82.2.1.主要功能部

3、件选型102.2.2.单片机选型102.2.3.可控硅选型122.4.滚筒洗衣机控制策略研究142.5.本章小结15第三章、硬件设计163.1.总体方案163.2.人机接口电路设计183.3.开关电源模块223.4.阀的控制243.5.水位检测电路253.6.复位电路263.7.本章小结27第四章、系统的工作过程及其控制28设计小结30参考文献31I专业方向课程设计第一章、绪论1.1. 洗衣机的发展从人类开始穿衣遮羞以来，衣物的洗涤成为人类避无可避的劳动，这中重复性的劳作增加了人们的负担，并且为洗净衣物添加的化学试剂也对人们的皮肤造成一定伤害。所以，采用机械来代替这项重复劳作是必然的。1766

4、年美国人Schaefer发明了第一台洗衣机，采用助板来模仿人手对衣物搓洗。经过漫长的一个世纪的发展，现代洗衣机雏形才得以出现，并得到了蓬勃发展1-3。1874年，手摇的木制洗衣机被另一个美国人比尔·布莱克斯发明了。现在看来结构十分简单，只是在木桶里装上了6片叶片，然后通过齿轮，用手柄带动，这样使得衣服不断翻转，就达到了洗衣效果。虽然这个装置结构非常简单，并且洗涤的效果也不是很好，但是，这个构思却很值得肯定，并且对后人有大大的启发，大大加快了洗衣机的改进过程。随着工业技术发展的进程，蒸汽、水力、内燃机等不断的被应用到洗衣机驱动中来，使得人力得到大大的解放。但是，由于驱动装置太繁重，性价

5、比太低，都没得到广泛推广。1910年，世界上第一台电动洗衣机被美国人菲舍尔研制成功了4-5。这台电动洗衣机的出现，才真正标志着人类的家务劳动真正进入了自动化时代。进入了电气化时代以后，人们日益完善了洗衣机的功能，洗衣形式也渐渐的固定为：搅拌式洗衣机、波轮洗衣机、滚筒式洗衣机。美国帮迪克斯公司，在30年代末制造出世界上第一台前装式的全自动滚筒洗衣机。整个洗衣过程都得以在一个滚筒里完成。这象征着洗衣机的型式又一个巨大的进步，现如今，在全世界，滚筒洗衣机都得到了广泛的应用。随着社会的不断进步，人们给洗衣机提出了越来越高的要求。除满足基本洗衣功能外，开始关注它的环保性、适用性、可靠性、智能程度以及节约

6、能耗等方面。所以，环保、节能也是洗衣机发展的一个大方向。从改革开发开始，我国开始了对洗衣机的研究，和电视机一样作为骨干家电，洗衣机的发展还是很迅速的。它的发展历程基本可以划分为以下三个阶段：1) 初期起步阶段：可以从上世纪八十年代中期算起，到八十年代末期截止。这一阶段主要体现为技术的集中引进。其中又一日本的波轮式洗衣机的技术和设备为主，迅速的从无到有，也因此，奠定了波轮式洗衣机在中国市场的地位2) 平稳发展阶段：这个阶段是从上世纪八十年代末期开始，一直到九十年代中期截止。这个时期，我们国家各洗衣机企业，无论是质量水平还是技术水平都稳步的在提高，生产成本也得到持续降低。市场认可度也大幅提高3)

7、激烈竞争阶段：这个阶段是从上世纪九十年代中期开始，由于中国市场日益扩大，一些外资品牌开始大肆登陆抢占市场，尤其是一些欧洲家电企业。在这一阶段，洗衣机行业的竞争是相当激烈现如今，我国的洗衣机企业已经发展成熟，国有、外资、合资等各种企业遍布全国各大省市，我们国家逐渐的成为了全球化的洗衣机生产基地，年产量占全球各国总产量的四分之一，居世界各国之首。除了满足庞大的内需之外，还出口到欧洲、北美洲、东南亚各国等。但是，和日韩、欧美各国家相比，我们国家的技术依然比较落后，一些技术的关键还没有完全掌握。对新洗衣机的设计、研发都还处在模仿阶段。生产线往往也是进口的，这样就使得我们国产的洗衣机，从功能上、质量上、

8、成本上、市场占有度上都落后与外资品牌。所以，在竞争这么激烈的情况下，要想在不断增长的市场中占据一定份额，就一定要提高自主设计、开发新洗衣机的能力。在模仿的基础上，消化吸收引进的技术，掌握好洗衣机设计的关键，这样才能逐步提高我们的设计水平。1.2. 滚筒洗衣机发展现状和趋势滚筒洗衣机是发源与欧洲大陆的，设计原理是模仿人们用棒捶打衣物，利用电动机带动洗衣机滚筒旋转，使得衣服在桶里被举起、摔下，再举起再摔下。这种重复运动，再加上水和化学试剂之间的共同作用，就能洗净衣服了。但是，由于洗衣试剂的活性对温度有要求，所以洗衣时用热水才能洗的比较干净。比起波轮式洗衣机，滚筒进入我们国家的时间就晚的多了，所以普

9、及率也较低，研究文献自然也偏少。但是近几年，人们的衣服质量越来约好，滚筒洗衣机的优点慢工程硕士学位论文滚筒洗衣机智能控制系统研究与设计慢的越来越得到人们的认可。省水、对衣服磨损少、自动化程度高等，这些优点受到广大消费者的青睐。现如今，滚筒洗衣机年生产量已经占到洗衣机总产量的55%，从这一数据上看，滚筒洗衣机起步虽然较晚，但已经成为洗衣机的流行趋势。因为它和波轮洗衣机截然不同的洗衣方式，使得它具备诸多优点：洗衣过程不缠绕、对衣服损害小（约为波轮式洗衣机的1/30），这就使得它可以洗涤丝绸羊毛等高档衣物；它的使用周期大概是波轮式的2倍；而且耗水量约70升，比波轮式、搅拌式的150升，省了一半多。由

10、于洗涤剂的效用与浓度有关，所以省了一半水也就能大大节约洗涤试剂的用量，从而可以使得生活污水的排量也大大减少。可以预见，随着人们衣物质量的提升，对环保的追求的提高，滚筒洗衣机会慢慢确立其在家用洗衣机市场中的主导地位。1.3. 洗衣机驱动技术综述随着当今世界经济的迅猛发展，节约能源已经逐渐成了一个世界性的话题。因此，对越来越普及的洗衣机来说，如何提高所使用驱动电动机的效率这个问题就日益突出了。同时，随着人们消费水平和生活质量的不断提高，人们对洗衣机在智能化和环保方面的要求，也越来越高。因此，选择高效节能的驱动电机，以及理想的驱动方式，配以先进的控制技术，就成了满足洗衣机发展要求的关键。1.3.1.

11、 滚筒式洗衣机用驱动电机的选择当前阶段，滚筒洗衣机用到的驱动电动机总的说来有以下几种：一是双速单相电容运转感应电动机，二是单相串激电动机，三是开关磁阻电动机，四是永磁无刷直流电动机。下面就各种电动机的特点进行介绍。双速单相电容运行感应电动机：这种电动机的定子，有两套不同极对数、相对独立的电枢绕组，而且每套绕组上都有与其正交的辅绕组，运转电容和启动电容由辅绕组电路并联。当它启动时，运转电容和启动电容同时接入，所以该电动机具有电容启动的特点。等转速升高以后，启动电容的电路就会被离心开关切掉，这就使得其具备电容停止的特点。由于启动电容和运转电容分别独立选择电容容量，所以，该类电动机具有较大的启动转矩

12、输出这种良好的工作性能。但是，这种电动机有一个最大缺点：只有两个档位的转速，并且这两个档位之间，转速的差异还比较大，所以不能实现较宽范围的调速。但是，由于其成本比较低，所以在稍低档的滚筒中，仍然使用它。1) 单相串激电动机：是指经过电刷把定子励磁绕组和电枢绕组带换向器串联起来的单相电动机。主要特点有：体积比较小巧、转速高、启动转矩大以及调速方便可以通过调电压调速等。但是由于使用了电刷，换向时就比较容绪论工程硕士学位论文易产生火花，会干扰到无线通讯，也会缩短电动机的使用年限。但是，还是因为其价格低廉，依然有着广大的市场。2) 开关磁阻电机：这种电动机的转矩是磁阻性质的，会遵循“磁阻最小的原理”，

13、也就是说磁通总会沿着磁阻最小的路径去闭合，磁场的扭曲会产生切向的磁拉力7。这种洗衣机是比较适合用在滚筒洗衣机里的，有着显著的优点：滚筒平衡性好、低速时转矩比较大、最大速度又比较高、可以实现较低洗涤速度等优点。但是，噪音比较大是这类洗衣机避无可避的缺点。3) 永磁无刷直流电动机：这种类型的电动机可以说是同时具备了交流电动机和直流电动机的优点：结构简单、方便维护、运行较可靠且效率高、调速的性能好并且没有励磁损耗等。Boliger在1917年，提出了可以用整流管来代替直流电动机中的机械电刷，这意味着永磁无刷直流电动机的雏形的诞生。进入二十世纪30年代后，专家们就开始研究用电子原件实现换向，用以代替无

14、刷直流电动机中的机械换向，取得了一些进步。只不过由于大功率电子器件在当时发展还比较滞后，使得研制受到很大限制，没有能得到推广。一直到1955年，美国的哈利森等人率先申请专利：电动机中的机械换向器换向，被用晶体管代替并实现换向，这意味着现代直流无刷电动机的诞生。接下来又经过人们持续的努力，霍尔元件在1962年也被用来实现换相，这掀开了无刷直流电动机量产化的新篇章。到了1978年，永磁无刷直流电动机的正式推出，意味着直流无刷电动机在真正意义上进入了实用阶段。最近几年，MAC永磁无刷直流电动机被引入到了滚筒洗衣机的驱动中。这种电动机系统是由电动机本体加上控制驱动电路部分来组成的。它的定子与交流电机的

15、定子结构是基本相同的转子铁心上粘上了永磁磁钢，传统电刷的机械换向被电子换相所代替。再加上我国的稀土储备比较丰富，这十分有利与永磁无刷直流电动机的发展，更有利与其成本的降低8-9。所以使用永磁无刷直流电动机来驱动滚筒，将会成为滚筒洗衣机的一个发展趋势。1.3.2. 滚筒洗衣机的驱动方式从电动机的驱动装置来分，现在滚筒洗衣机主要有着两种方式的驱动装置。一是间接的驱动方式，它的基本结构示意图如图1.1所示。图1.1 间接驱动方式结构示意图洗衣机的驱动电动机与洗衣机内筒之间，通过皮带和皮带轮等中间传动装置传递转矩。在洗衣机工作时，驱动电动机输出的功率主要传递到洗衣机内筒上，但是也有相当一部分功率被中间

16、传动装置之间的摩擦损耗掉了，浪费了一些能量。而且，中间传动装置的存在，也使得洗衣机噪音加大。而皮带和皮带轮之间，由于一直摩擦着，所以也使得洗衣机会出现诸如皮带断裂这类的继续故障。为了克服间接驱动方式的种种缺点，人们渐渐的研制出直接驱动方式。简单的说就是把皮带和皮带轮等中间传动装置舍弃，把电动机转子的轴直接连上洗衣机的内筒。它的基本结构示意图如图1.2所示。图1.2 直接驱动方式结构示意图采取直接驱动方式，能够非常有效的降低洗衣过程中的振动和噪音，洗衣机的寿命也能得到一定增加。由于电动机的输出直接作用到内筒上，减少了中间环节的能量消耗，节省了能量，从而可以使整个洗衣机系统的工作效率得到提高。而滚

17、筒洗衣机无论是在洗涤状态，还是在脱水的状态下，内筒都需要转动，所以就不需要使用离合器，这就使得滚筒洗衣机更适合使用直接驱动但是，滚筒洗衣机的结构决定了负载必定是偏置的，尤其是洗涤的时候，偏置更严重，所以这种驱动方式就对电动机提出了比较高的要求。综上所述，采用直接驱动10的方式，可以使得滚筒洗衣机噪声降低、使用寿命延长、更能节约能量。当今社会是追求绿色环保的社会，釆用直接驱动恰好契合了这种趋势，所以，釆用这种方式的洗衣机在未来有着广阔的发展前景。1.4. 变频调速技术研究现状及趋势变频调速技术是在二十世纪诞生并得到发展的，尤其是二十世纪九十年代后，随着IGBT、集成门极换流晶闸管等电子器件的发展

18、，以及ASIC和的DSP迅猛发展和各种新控制技术和理论的渐渐完善，使得变频调速有了代替直流调速的希望。在调速范围及精度、动态响应速度和运行效率等指标上，变频调速都超过了直流调速11。现阶段，比较有代表性的有矢量控制以及直接转矩控制。矢量控制又可以被称为磁场定向控制，最先是于1968年，Darmstader工科大学的Hasse博士提出的，西门子公司F.Blaskchke博士等人又在1971年提出“感应电机磁场定向控制的原理”，这些与美国的A.A.Clark与P.C.Custman起申请的专利“感应电机定子电压坐标变换的控制”等，共同打好了矢量控制的基础12。矢量控制技术自出现以来，就以转子磁场定

19、向，利用矢量变换来实现交流电机转速和磁链控制的完全解耦13，这样可以使交流电机也有了追超直流电机的良好控制性能。最近几年，神经网络控制、模糊控制与自适应控制以及变结构控制等优秀的控制理论，逐步的被应用到矢量控制中。各种新的控制方法不断涌现，其中，采用无速度传感器的矢量控制技术，由于运行稳定可靠、动态相应速度比较快以及优秀的动态静态性能等优点，逐步成为变频调速领域终点发展的技术之一。不管是直流还是交流调速，不管电机是稳态、瞬态，转矩控制作为传动系统的根本问题是不会改变的。上世纪80年代中期，日本的Takahashi和德国Denpenbrock的共同提出了利用直接转矩，其主体思想是，去掉繁杂的空间

20、坐标变换以及电机建模，通过控制定子磁链，实现直接转矩控制。转矩控制的优点体现在以下几个方面：原则上不需要转速信息；电机参数变化鲁棒性良好；易得到同步速度信息，可以不用速度传感器等。随着现代科技的不断进步，直接转矩控制技术肯定也能得到发展，进一步的消除脉动，使控制性能得到提高。软关断和空间矢量脉宽调制技术也是重点。到目前为止，电动机采用矢量控制、直接转矩控制和无传感器控制等技术，都已经实现了实用化，人工神经网络控制、自适应控制等也都已得到广为采用。以后，随着控制理论、电子乃至计算机技术的发展，交流电机控制技术将会围绕解决电机非解藉性和参数依赖性等方面取得一些进步。1.5. 洗衣机控制技术现状及趋

21、势冼衣机采用哪种控制技术，主要是由其釆用哪种程控器决定的。目前市场上较常用的洗衣机控制方式主要有：电子程控器控制和电脑程控器控制。电子程控器要比电脑程控器简单，它主要是由微型同步电机、凸轮组、减速机构、引出线和簧片触点等组成，其中微型同步电机为程控器提供动力。微型同步电动机经过减速机构，驱动各凸轮组一圈圈的转动。各凸轮组控制的电触点，都可当作单刀双位或者单刀三位开关，这些开关会随着凸轮的转动按照一定的规律被关闭、打开。这样就使得洗衣过程被连续的进行。程控器主要控制电动机、排水电磁阀和进水用电磁阀等。各个电触点的关闭、打开均由相对应的凸轮转动来实现。其转换的规律是由凸轮形状和凸轮转速决定的。我们

22、把这种自动转换规律称为凸轮转换时序。采用电子程控器的洗衣机，一般会有几个程序供用户自行选择，用户通过程序选择开关选定要用的洗衣程序。电路的构成是：项线、触点、开关、触点、执行部件、零线。安全开关在程序运转的过程中起到保护的作用，如用户不小心打开桶盖，安全开关的动断触点就会立刻断开，使得电动机电源断开停止运转。再比如，如果脱水时，内筒振动过大的话，安全开关的动断触点也会断开，电动机也会停转。当洗衣程序终了时，程控器就会把蜂鸣器的电源接通，蜂鸣器就会鸣叫提醒用户。采用电子程控器控制的洗衣机有很多，例如XQBM15-A型小神童系列。电脑程控器也会被称为电脑板，控制理论还是跟机械式程控器类似的，只不过

23、是将机械凸轮和簧片触点之间的相互作用，用电子电路代替。这样把所有的程序都汇集成集成电路，之后按照编好的程序，根据安全开关、水位开关等各种检测传感器的状态，控制各执行器件，从而使洗衣机完成从洗涤到脱水的整个过程。洗衣机厂家在单片机中存入各种程序，用户可以通过功能选择部件，选定洗衣程序，电脑板就根据输入的命令，首先从存储器中找到并取出相应程序，然后就依次在输出端输出有效电平。经过放大电路放大后，就可以控制电动机、进水阀、排水阀，这样整个洗涤漂洗过程都可以实现自动化操作。在釆用电脑程序控制器的洗衣机中，一般都是用弱电控制强电，控制电路使用低压直流电源，这样就需要降压整流滤波等电路。为了程控器可以稳定

24、可靠的长期工作，稳压电路也是必不可少的。对于电动机等大功率器件，电脑板的控制信号绝对是不能直接驱动的，必须经过放大电路后，由执行元器件来控制。单片机输出的控制信号，都要经过继电器或者可控硅来实现对电动机、进水及排水电磁阀的控制。和电脑程控器控制相比，电子程控器就简单多了，但是抗干扰效果就又不如电脑程控器了，而且实现成本也较高。相比之下，电脑程控器功能齐全，而且还有一个重要特点：可以用显示器件实时显示各种洗衣功能、程序以及洗涤当前状态。这就使得洗衣机的功能得到进一步完善，还使得洗衣机的造型得到美化，更为用户的操作提供了方便。第二章、智能控制系统总体设计通过对整机厂商的规格书要求的分析，将整机厂用

25、户界面的要求作为本次计主要输入，选定了主控板加显示板的控制系统总体方案，对单片机、可控硅等关元器件进行选型。通过对滚筒洗衣机洗涤原理的研究，重新设定优化了洗衣节拍。2.2.1. 控制系统用户界面分析随着社会的进步，人们的生活水平也不断提高，大多数家庭都置办了家用电器，其中，洗衣机无疑是大多数家庭都需要的。据统计数据来看，现在我们国家城镇居民家庭中，每百户人家就拥有超过90台的洗衣机，可以说洗衣机早已成为人们生活里必不可少的成员之一。所以，洗衣机的造型，人机接口的界面设计也就非常重要。而好的界面设计可以使用户可以更方便、更实用的操作，从而享受洗衣机带来的体力劳动的解放14。本文根据整机厂商设计规

26、范要求，采用显示功能强大的LCD显示屏，使洗衣过程一目了然，更方便用户使用。控制系统整体效果图如图2.1所示。图2.1 控制面板示意图从图2.1我们可以看出，该控制系统，我们至少需要旋钮、按键、LCD屏、以及发声所用的蜂鸣器等。对于该控制系统，整机厂商要求：在4000次的标准洗衣流程中，在有90%的可信性的情况下达到98%的可靠性，并且必须通过可靠性寿命测试来证明这个可靠性。可动作的元器件像继电器和开关在4000次的正常流程中，必须被证明在有的可信性99%的情况下达到的可靠性。2.2. 控制系统总体方案全自动滚筒洗衣机经由电脑板控制后，洗涤模式更人性化，外形更美观，操作界面更友好更易接受，设计

27、想象空间也变的更大，可以说电脑程控器式滚筒洗衣机代表了洗衣机技术的重要发展方向。电脑程控器式滚筒洗衣机的电脑板，经由接插件、线束连通其他电气部件，通过按键、旋钮、LCD屏、LED指示灯、蜂鸣器等部件实现和用户的交互功能。按照用户选择的洗涤模式和洗涤参数，电脑板选择不同程序，协调其它电气部件，自动的完成整个洗涤过程。从这种意义上看，洗衣机的电脑板就像人类的大脑，所以，它的设计水平也就决定了洗衣机的智能化程度，是洗衣机的最关键的部件之一。为了设计水平达到当前电脑洗衣机设计的最高水平，整机厂要求：1) 脑板必须能够根据测速电机给的反馈信号，自动的判断并纠正脱水转速及衣物的当前状态，降低衣服的含水率，

28、同时尽可能减小振动2) 智能化的判断外界环境的变化并能给出适当的响应，如进水、排水情况，电网波动及停电等。在停电时要自动的记忆系统当前状态，来电后自动开始洗涤3) 要有故障自诊断及自保护功能，当电压、电流或零部件损坏的时候，要可以自动的给出声光告警并且能自保护4) 设计要尊重消费者习惯，洗涤模式的选择及参数的调整采用简洁、易操作的触点式旋钮及辅助铵键进行，操作旋钮的机械噪声要尽量减少，提升手感5) 运行要稳定、安全、可靠，平均无故障时间要大于100000hr6) 元件必须通过至少10年内在90%的可信性的情况下有99%的可靠性7) 所有ALT测试必须保证控制器至少10年内在的可信性的情况下有9

29、5%的可靠性8) 系统要满足节水、节电、冼净率高的要求为了满足以上客户要求，设计者细致的分析、计算了集成电路设计、元器件选型、以及软件设计等方面，最后在综合考虑了各方面因素后，得到如图所示的控制系统总体框架图，如图2.2所示。图2.2 控制系统总体框图设计方案计划主控制电脑板和显示部分电脑板分开，这样做一是为了洗衣机控制界面美观大方，满足客户工业设计的要求，二是满足客户多变种的需求。可以采用同一块主控制电脑搭配以不同的显示板15，以达到区分洗衣机档次、满足不同顾客的审美观的目的。控制系统主要功能部件及模块主要有：旋钮、显示屏、蜂鸣器、可控硅、开关电源模块、人机接口电路、通讯电路、复位电路、阀的

30、控制与检测等等。控制系统主要功能部件及模块主要有：旋钮、显示屏、蜂鸣器、可控硅、开关电源模块、人机接口电路、通讯电路、复位电路、阀的控制与检测等等。2.2.1. 主要功能部件选型确定总设计方案以后，要确定所要用到的元器件，本节就计对几个关键元器件进行选型。对于元器件和材料的要求大致有以下几点：所有元器件应符合各元器件的单项设计要求。安全器件应符合规定的安全要求和相关认证的要求。1) 用半导体元器件控制电动机等负载时，在这些元器件失控损坏后，接在控制回路上的器件应没有燃烧危险。在程序执行的任何时间内，屏都不能有明显闪烁。2) 所有元器件的设计必须符合规定的降额使用的要求3) 组成控制器的所有电子

31、器件都要经过测试部门测试，重要器件每年至少要重新确认一次，以确保配套厂家的质量一直稳定在初始水平4) 按键寿命：按键开关应准确、可靠、灵活，使用性能和寿命必须满足整机要求，控制器在专用设备上，以压力为13N，行程0.5mm-1mm，通断速度为每秒1次进行，控制器的按键在规定的负荷条件下，通断寿命不能低于100000次5) 印制电路板应满足GB/T4721-GB/T4725的规定，对于没有封胶盒直接安装在面板上的电控器，应用CEM-1及以上性能的板材6) 注塑件需要采用阻燃、耐热材料；注塑件表面要平整光滑、色泽要均匀，不能有裂痕、缩孔等缺陷7) 装配后的电控器清洗干净后，要用透明或半透明的绝缘胶

32、灌封（波轮全自动洗衣机）或刷胶（滚筒洗衣机电脑板）。绝缘胶应具有附着力强、防水、阻燃、耐热、无腐烛性、有弹性、无毒、无气味和耐老化等性能。并能满足ALT高温85高湿85%的试验要求总设计方案确定以后，就可以确定所要用到的元器件，主要有：连接器、继电器、电容、电阻、二极管、可控硅、变压器、突波吸收器、热敏电阻、保险丝、电路板等。下面就针对几个关键元器件进行选型。2.2.2. 单片机选型电脑板的设计中，单片机是设计的主体，和其它控制电路一起组成洗衣机的控制系统。洗衣机故障时，如果能排除机械系统和电脑板外接部件，就要首先检测判定单片机的外围的控制电路，最后再看单片机本身是否有故障。电脑程控器根据接受

33、到的操作面板的动作指令，给外接部件送出执行命令，使得电动机、进水电磁阀、排水牵引器等通电运行；同时，程控器还要监测洗衣机的各部件的工作状态，判定工作正常与否，一旦有异常，就立刻送出停止的命令、蜂鸣器鸣叫报警。这些功能都是由电脑程控器和各种配合电路配合着来实现。1) 目前市场上有很多种类的洗衣机，采用的控制系统也各不相同，选用的单片机更是五花八门。基于研究与实际的情况，本设计选用的系列的单片机来实现洗衣机电脑程控器的各控制要求。2) 日本NEC单片机优点比较突出，其销量世界排名前三，这也从侧面体现了它在单片机应用领域中的地位和影响力。和其它公司的单片机相比较，单片机主要有以下优点：3) 低功耗。

34、由于采用了先进的集成电路工艺，可以使得功耗降到很低4) 由于单片机自身芯片工艺的特点，使得在很宽的电源电压范围内，单片机都可以正常工作。供电电压范围的放宽，使得单片机应用领域进一步拓宽，还不必看电压曲线是否平稳，不用专门为它增加稳压电路，从而可减少功耗、降成本5) 指令系统与8051很相近，易于使用者掌握。寻址方式比丰富，且增添了大量的位寻址，以适应实时控制需要6) 具有64K的地址空间。分为通用寄存器、内部ROM、专用寄存器、内部高速RAM和外部存储器，这些都采用统一编址。I/O口和存储器也均是统一编址。7) 有主系统时钟和副系统时钟，振荡电路在片内，只需要外接晶振即可。当应用系统不工作时，

35、主时钟可停振，这样可以降低功耗。时钟信号可以输出，可以供其它芯片使用另外，从开发环境上讲，单片机可以用汇编语言，也可以用结构汇编或者语言编译器，并且均有对应的开发调试工具。开发调试工具除了硬件开发系统仿真器以外，还能提供软件仿真，用户只需台个人电脑，就可以完成系统仿真，仿真软件还可以免费提供。所以无论是从成本上，还是适合大批量工业生产等各方面，综合考虑，最后选定NEC78F0513它主要特征有：1) 指令的最短执行时间，可以在高速(0.1us)和超低速(122us)之间改变。2) 通用寄存器：8位个32位寄存器。3) 内部高速RAM；1KB、Flash存储器：32KB4) 内置单电源Flash

36、存储器5) 自编程(有启动交换功能)6) 内置上电清零POC电路；低电压LVI检测器7) 内置使用内置的低速振荡时钟来进行操作的看门狗定时器8) 内置按键中断功能9) 时钟输出控制器内置10) IO端口：44引脚产品、48引脚产品11) 7通道定时器12) 3通道串行接口13) 10位分辨率转换通道14) 电源电压：VDD=1.8-5.5V15) 工作环境的温度：TA=-40852.2.3. 可控硅选型可控硅整流元件，又简称可控硅，也被叫做晶闸管，它是具有四层结构，三个PN结的大功率的半导体器件。它体积比较小、结构相对比较简单、功能又比较强，所以是一种比较常用的半导体器件。各种电子设备和电子产

37、品中都广泛使用可控硅，它主要被用在可控整流、变频、逆变、调压和无触点开关等方面。家用电器中，调光台灯、变速风扇、空调、电视、电冰箱、照相机等都离不开可控硅器件。工业控制领域更是需要广泛的使用可控硅器件。可控硅整流器件可以说是一种很重要的功率器件，它可以用来控制高电流、高电压。可控硅的作用主要体现在开关方面，使器件在阻断或是关闭的状态，与导通或是开启的状态之间反复转换。可控硅还与双极型晶体管之间有密切的关系，它们的传导过程都牵扯到电子、空穴。但是，从开关机制上来说，它们又是不同的。由于器件结构的不同，和双极晶体管相比，可控硅控制的电流、电压范围更宽。目前，可控硅的额定电流从几到以上，它的额定电压

38、可以超过。可控硅有几种分类方法：1) 从关断、导通及控制方式上分，分为普通可控硅、双向可控硅、逆导可控硅、可控硅、门极关断可控硅、温控可控硅、光控可控硅等2) 从引脚、极性来分，分为：二极、三极可控硅和四极可控硅3) 从封装形式上，主要分为金属封装型、塑封型和陶瓷封装可控硅三种类型。然后，金属封装可控硅又可以分为螺栓形、圆壳形和平板形等；塑封可控硅又分为带散热片型，如图所示，和不带散热片型两种类型4) 从电流容量来分，可以分成小功率型、中功率型和大功率型三种。一般情况下，大功率可控硅的封装采用金属壳，中小功率型采用塑封或者陶瓷5) 其关断速度上来分，主要分为普通型可控硅和高频（快速）可控硅本设

39、计选用ST公司的，T405Q-600B/Z0109MN。意法半导体(STMicroelectronics)简称ST，世界上最大的半导体公司之一。于1987年公司成立，是法国汤姆逊半导体公司和意大利半导体SGS公司良家公司合并而成的新企业，目前整个集团中，共有近50000名员工，先进的研发机构有16个、设计中心39个、16个主要制造工厂，并在全球36个国家里，拥有78个销售办事处。1.1. 印刷电路板印刷电路板又可以叫做印制电路板、印刷线路板，简称印制板英文PCB或者PWB是,是把绝缘板切成一定尺寸，上面附上至少一个导电图形，布上安装元件的孔、安装孔、金属过孔等，然后用来代替老装置中装电子器件的

40、底盘。采用印制板的优点有很多，例如：1) 量产项目中，同一个线路往往需要数以万计的复制，所以采用印制板就能减少布线和装配中可能产生的差错，节省维修、调试及检查时间2) 在设计时方便标准化，利于互换3) 布线密度可以很高，使得体积小巧，重量很轻，利于设备的小型化4) 十分利于自动化、机械化生产，大大提高生产率还降低了设备造价印制板，从制造方法上可以分为减去法和添加法两类。现阶段，在大规模的工业生产时，主要还是采用腐她铜箱的减去法。设计印制电路板，要根据电路原理图，实现电路设计者需要的功能。印制板设计的时候，在版图设计上，要考虑外围连接部件的布局、内部电子器件的放置、金属跳线和过孔的优化布局、热耗

41、散等等各种因素。版图设计的好，可以大大节约生产成本，电路性能和散热性能也会比较好。如果是比较简单的版图设计，可以用手工实现，但是复杂的就需要设计者利用电脑辅助设计CAD来实现了。PCB布板时，设计者要釆取主动预防、整体规划，在充分考虑电磁兼容技术的基础上，釆取对抗和疏导相结合的原则。整个外形尺寸也要大小适中，印制板过大，印制的线路就会比较长，这样阻抗就会增加，系统抗噪能力就差；印制板过小，各个电子器件间距过小，元件和线路之间就会互相干扰，且影响散热。在布置电子器件时，一般先按照功能进行区域划分，把同一功能的器件尽可能的放在一起，这样利于抗噪；其次呢，高速器件往往放在出线端子附近，低速电路和存储

42、器放在稍远的地方，这样就能有效降低福射、窜抗及公共阻抗稱合等噪声；此外，外部线路也会干扰到印制板，所以可以将光电隔离器件和隔离用的变压器和滤波器等放置的靠近输入端子；电流比较大的电路，比较容易有噪声的器件就要尽可能的远离计算机逻辑电路放置。本项目中，选用南亚板材，南亚是目前台湾最大、世界排名前十大之电路板专业制造大厂。对于洗衣机行业来说，由于大多安装在卫生间，工作环境比较恶劣，所以，要满足行业的一些特殊要求：1) 加工工艺的优选顺序是：元器件面单面贴装，元器件面贴、插混装，印制板双面贴装，元器件贴插混装、焊接面贴装2) 布置时遵照“先难后易，先大后小”的原则，即优先布置重要的单元电路、核心元器

43、件等。3) 若印制板需用使用波峰焊工艺生产，它的紧固件安装孔和定位孔都必须是非金属化孔。当安装孔需要接地时，要釆用分布接地小孔与地平面连接的方式4) 印制板的密度越高，设计者就越要考虑使用更细的线宽以及更窄的间隙5) 对可靠性要求高的时候，设计者要尽量使用较宽的布线以及较大间距6) 对印制板的最小孔径的定义跟板厚相关，板厚孔径的比值要小于51.2.2.3.2.4. 滚筒洗衣机控制策略研究在滚筒洗衣机系统中，洗衣机运行的控制策略是通过控制系统来实现的。而控制系统的核心为微处理器。由于滚筒洗衣机的洗衣内筒是卧轴，所以与波轮式、搅拌式洗衣机相比，滚筒洗衣机的洗衣节拍明显不同。滚筒洗衣机的洗涤原理是：

44、电动机带动内筒旋转，沾了水的衣服由于重力作用，贴在内筒上，筒壁上的提升筋会随着内筒转动把衣服举起，然后在重力作用下，衣服又摔在混有洗涤试剂的水里。在这样不断重复的过程中，衣服上的污渍就被冲洗掉了所以，这样的洗涤方式，决定了滚筒洗衣机在洗涤时，转速不能高，因为如果转速过高，衣服就会贴在内筒上，一直随着洗衣内筒旋转，就没有洗涤效果了。滚筒洗衣机洗涤衣物时，内筒由电动机带动旋转，提升筋把衣服举高，重力又把衣服摔下，在下落到混有洗涤剂的水中时，由相对运动产生的冲击力洗掉污拒。但是，如果电动机只朝着一个方向转动的话，衣服跟水的接触面就没什么太大变化，这样洗涤的均匀度就会受到影响。所以，所有的滚筒洗衣机洗

45、涤时，电动机都需要不断的正转、反转的。为了追求最好的洗涤效果，就要让混有洗涤剂的水和衣服上的污渍充分的接触。但是，在衣服摔下的过程中，洗涤剂会被冲击出来，所以，如果在衣服落下后，给它一段时间重新吸附洗涤剂和水，就能提升洗涤效果。所以，在电动机正转反转的转换中间，停转一段时间，反而利于提高洗净度。所以，洗衣机的停转比也很重要。在滚筒洗衣机脱水之前，排水泵首先需要把洗衣机内大部分的水先排出去，然后，内筒会由电动机带动旋转，由于大大超过上文算出的极限转速，衣服会一直贴在内筒上随着转动。洗衣机内筒和含水的衣服之间就会有相互作用的压力，这个压力会把衣里的水挤出来，内筒上布满的排水孔会把这些水源源不断的排

46、出去。在洗衣机刚刚开始脱水时，衣服里含的水分最多，质量就比较大，这时，电动机的负载就很大，而且还是偏置的，这就需要电动机提供比较大的输出转矩。为了保证电动机输出大的转矩，同时，低速旋转也能使衣服在内筒内的分布逐渐变的均匀，这都决定了，在脱水的初始阶段，电动机的转速不能过高。随着脱水的进行，衣服里的水渐渐的被挤出，衣服质量变小，电动机的负载也随之变小。这时候，内筒所提供的压力就不足以挤出水分了，需要提高电动机转速，是脱水的压力增大。2.5. 本章小结本章从控制系统用户界面着手，介绍了控制系统总体设计方案，设计方案是主控制电脑板和显示部分电脑板分开，这样做不但能使洗衣机控制界面更美观大方，满足客户

47、工业设计的要求，而且能够满足客户多变种的需求：可以采用同一块主控制电脑板搭配以不同的显示板，以达到区分洗衣机档次、满足不同顾客的审美观的目的。还从滚筒洗衣机的洗衣节拍的特点出发，制定了控制策略。第三章、硬件设计主控板主要用以控制外部强电外设设备：电机、水阀、加热管等。显示板主要用以接受用户的操作，控制洗涤流程，显示洗衣过程等。电源板和显示板之间通过串口半双工通讯。由显示板发出命令，电源板执行命令。以为控制核心，设计人机接口电路、开关电源电路、阀的控制电路、水位检测电路和复位电路等。1.2.3.3.1. 总体方案本设计选用NEC78F0513为控制核心，采用按键旋钮和显示模块作为人机接口的输入输

48、出设备。加热管、风机和电动机釆用交流市电驱动，与这些部件之间，通过数据锁存、缓冲、光电隔离触发器和可控鞋等来进行控制。门感应开关、过热保护开关、温度传感器等组成自动控制和保护电路。采用的系统框图如图3.1所示。图3.1 系统框图控制系统的控制对象，主要有进水阀、排水阀、电机和门锁等。控制系统根据不同的程序去设定这些被控对象的不同的工作状况和工作时间。其中进排水阀的控制，还需要水位监测；液晶显示模块上面会显示洗衣机的工作状态和程序的剩余时间，还可以显示设定的洗涤速度和脱水速度；按键可以控制程序的运行，还可以设置洗涤速度和脱水速度；蜂鸣器用来提示程序的运行，以及系统故障时可以报警。系统工作时的额定

49、工作电压是：220VAC，50HZ。系统的工作电压的范围为：175VAC-265VAC，47-50HZ。电源板上单片机最小系统如图3.2示。图3.2 单片机最小系统图NEC78F0513芯片共有个44引脚，是8位的单片机，比较适合家电控制使用。有36个外部双向输入输出（I/O端口，2个16bit双通道的定时器接口模块，每个通道都有输入与输出比较能力。1024K的内部RAM,32K的内部ROM，程序存储空间较大，防止由于字模过多而使得存储空间不够。而且NEC78F0513采用的存储器是Flash存储器，所以不仅可以进行多次擦写的操作，还可以进行片上调试，是很方便的。NEC78F0513引脚配置图

50、如图3.3所示。图3.3 单片机引脚配置图本次设计中，引脚1作为泵的可控硅的驱动；引脚2、43共同用作扫描电源按键的动作；引脚3作为低电平复位口；引脚5用作自编程，在掉电是自动记忆系统当前状态；引脚16、21用与控制控制电机的继电器；引脚20作为变频板电源控制；18、23、24共同用于门锁的控制；引脚12、13、14用于水位的监测与控制；引脚22用于加热管控制；引脚29作为喷淋阀控制，用于洗涂过程中泡沫过多时消泡；引脚30、31用于电源板和显示板之间的通讯。现在，客户所给的设计时间周期都比较短，所以，为了满足客户的时间要求，工业项目一般都要釆用模块化设计。釆用模块化设计，可以大大节约设计时间，

51、有利于项目调试、成本合算、多人协作等。本次设计亦是釆用模块化设计，后文针对几个主要模块进行详细介绍。3.2. 人机接口电路设计人机接口模块一直都是嵌入式控制系统中，比较重要的组成部分，是实现人机对话的一个必不可少的手段。滚筒洗衣机控制系统的人机接口电路，要为用户提供工作模式的选择，电动机启动、停止的控制，各种洗涤状态下工作参数的设置，还要通过LCD模块显示系统的模式、程序剩余时间及系统故障等信息人机界面釆用的D78F0513GB-UES是芯片来完成设计的，与主控板之间，通过半双工串口通讯进行数据交互。人机接口线路共包含几个部分：LCD显示部分、LED显示部分、按键的采样电路部分以及蜂鸣器电路。

52、显示电路也是人机接口电路的一个主要组成部分，显示系统的当前状态、工作模式，并且当系统处在不同的程序中，或者是故障时都会显示不同的图案。本次设计中，LCD液晶显示板是在液晶厂家定做的，专用于同系列洗衣机显示面板。液晶显示板的驱动电路，用合泰公司生产的HT1621B液晶驱动芯片，它是内置存储器的128段32x4多功能的LCD驱动器，内置32x4显示存储器RAM，可选择1/2或1/3偏置，1/2或1/3或1/4周期的LCD应用方式。数据和命令模式指令只需要3条通信线与控制器相连，同时，它还提供省电命令，能非常有效的减少自身的功耗。它的主要特性有：1) 工作电压是2.4-5.2V2) 内嵌了256KH

53、Z RC振荡器3) 能256KHZ频率源输入或者外接32KHZ晶片4) 可选1/2、1/3偏压，1/2、1/3或1/4的占空比5) 片内时基频率源6) 蜂鸣器有两种频率可供选择7) 有节电命令来减少功耗8) 内嵌时基发生器，内嵌着看门狗定时器9) 时基或看门狗定时器可以溢出输出10) 有8个时基/看门狗定时器时钟源11) 一个32x4的LCD驱动器12) 内嵌32x4的显示RAM13) 四线串行接口14) 具有片内LCD驱动频率源15) 具有软件配置特征16) 数据模式指令和命令模式指令17) 有三种数据访问模式18) 提供的VLCD管脚可用于调整LCD操作电压HT1621驱动芯片有四根管脚可

54、用于接口。初始化串行接口电路以及主控制器和HT1621通讯的时候，采用CS管脚。当管脚CS被赋值1时，芯片和主控制器之间的数据和命令均是无效的，且会被初始化。用一个高电平脉冲使得HT1621的串行接口初始化之后，才可以产生模式命令或者模式转换。管脚DATA主要用做串行数据的输入输出，数据的读写和写命令进去的时候，都是通过管脚DATA进行。RD管脚是读时钟输入管脚，数据需要在RD信号的降低沿输出在管脚DATA上，只有在RD管脚的信号向上沿和下一个降低沿之间，主控制器才能去读取相应的数据。WR管脚是写时钟的输入管脚，只有在信号处在上升沿的时候，管脚DATA上的数据地址和命令等才有可能被HT1621

55、写入。可选的IRQ管脚被用作主控制器和芯片之间的接口，而且IRQ是可以用软件进行设置的，可以变成定时器的输出，或者WDT溢出标志的输出。主控制器与芯片的IRQ管脚连接后，可以实现时基或者是WDT功能。液晶显示电路图如图3.4所示。图3.4 液晶显示器电路3.3. 开关电源模块电源模块的作用，主要是给微处理器、外部电路、驱动电路，以及系统中用到的集成芯片提供工作电源的。所以，电源模块的性能，就直接决定了整个系统工作时的可靠性和稳定性。在本次设计中，整个控制系统，需要5V和12V两种直流供电电压，分别供给主控和驱动使用。开关电源是一种高效而且节约能源的电源，它的发展方向，可以说代表了稳压电源的发展

56、方向。最近的20年中，集成开关电源一直努力向着控制电路尽量集成化的方向发展，中小功率的开关电源呢，则努力朝实现集成单片的方向发展。和传统线性稳压电源比较，开关电源的功耗小，稳压的范围宽，体积又比较小巧，所以在电子设备中的应用越来越广泛.有一些特殊的场合，在一个电子系统里面，可能会需要用到多路隔离电源单独进行供电，比如电子系统中的数字部分和电子系统中模拟部分就是需要进行单独供电的，这样，就有了对多路隔离输出电源的需求。开关电源可以多路输出的，有一个指标非常重要，那就是负载交叉调整率。在这种多路输出的开关电源中，为了提高负载交叉调整率，常用方法有：输出端釆用堆叠技术、高频磁放大器、加权电压反馈、恒

57、流源实现多路输出、耦合电感调节、增强变压器各绕组的耦合程度、采用堆叠式绕法、PWMPD技术等方式。在这些方法中，只有增强变压器绕组间的稱合程度，親合电感调节和高频磁放大技术三种方法，能使用于不共地的隔离式多路输出。又因为高频磁放大技术中的磁放大器的设计比较复杂，变压器親合和电感輔合方式中，负载交叉调整率又比较差，所以都不能用在对输出稳压性能要求比较严格的场合。为了解决上面提到的问题，在一些小功率的场合，经研究发现，有一种简单易行的方法来实现精确稳压，那就是对开关电源的主回路采用反馈控制。采用开环控制的辅助回路，可以采用线性稳压芯片。设计者设计变压器的时候，只需要使辅助回路的电压比稳压芯片的输入电压略高，隔离输出开关电源的各支路就均可以实现精确稳压了。基于这一原理，在本设计中，电源部分的电路设计如图所示。本控制系统的电源模块以交流220V、频率50HZ电压作为输入，经过变压器变压，整流桥整流，稳压集成电路稳压，电容滤波后产生需要的电压。使用的主芯片PI为公司的TNY264G。图3.5 电源模块电路选用TNY264G来搭建反激式高频开关电路，来实现低压端电源12V直流电源的供应。电源的高压端，当市电经过开关进入电源后，零线和火